寒冷讓大地也會起「雞皮疙瘩」

來自專欄中科院之聲

當人體感到寒冷或者害怕時，身上就會起一層雞皮疙瘩。那如果我說，大地也會起雞皮疙瘩，你信么？看下面變形的公路、石環等等，都是大地的「雞皮疙瘩」。其實，它們都是由「凍脹」作用引起的特殊地貌。

圖1.大地的雞皮疙瘩——凍脹引起的特殊地貌

我國是一個凍土大國

土地里總是含有一定量水分，在冬季氣溫降低到0℃以下時，地表下一定範圍內的土地會凍結，凍結後的土體稱為凍土。當氣溫回暖後，凍結後的土體又會重新融化，這種隨著季節變化而發生凍融循環的土稱為季節性凍土；在某些寒冷地區，地層溫度長年保持在0℃以下，即使在夏天也只有距離地表很淺的一層土融化，而更深的地層仍然為凍結狀態，這類長年保持凍結的土體被稱為多年凍土（有時也被稱為永久凍土）。我國是一個凍土大國，多年凍土主要分布在東北大小興安嶺和青藏高原，占國土面積21.5%；季節性凍土幾乎在北方地區都存在，占國土面積53.5%。

圖2. 我國凍土類型分布圖

在凍土地區常常發生地面隆起的現象，即凍脹。在多數情況下，凍脹對人類生存活動是不利的，可能引起路面、管道、地基發生變形或破壞；有時候凍脹也會造就一些奇特的凍土景觀，如凍脹丘、凍脹草丘、石環等。

凍脹，就是別處的水流進凍土，然後撐開大地

我們知道冰的密度小於水的密度，水變成冰體積會增大。所以最初科學家們認為：土中的水分凍結後體積增大了，所以會發生凍脹。這種說法雖然不能算錯誤，但是對於大變形的凍脹現象，這種水變冰導致的體積膨脹對凍脹的貢獻非常小。

事實上，引起凍脹的主要原因是「水分遷移」——地層中其它部位的水分向凍土遷移，凍土內增加的這部分水凍結後要佔據一定空間，因此土體被「撐開」導致體積增大發生凍脹。

最早通過實驗闡明了凍脹與水分遷移關係的人是美國科學家 Stephen Taber，他在1929-1930年進行了一系列凍結實驗（圖3）。實驗現象說明凍結過程中，水杯裡面的水被某種力「吸」入到了土試樣中，試樣里增加的這部分水變成冰導致體積增大產生凍脹。

Taber還在另外的實驗中將水換成苯，與水凍結後體積增大不同，苯凍結後體積是收縮的。用苯做的實驗同樣發生了凍脹，因此排除了凍脹是因為「土中原有的水變成冰體積增大」這一原因。

圖3. Stephen Taber 的實驗示意圖與實物圖

Taber 的試驗，同樣可以用來解釋由於冬季氣溫降低地面發生凍脹的情況，如圖4所示。在多年凍土地區，年復一年的水分遷移導致地層內形成很厚的冰層（圖5），這些冰層向上推動土體形成了奇特的凍脹地貌（圖1）。

圖4. 冬季地面發生凍脹的過程

圖5. 凍土中的冰層

水分遷移的驅動力是什麼？可能是被「吸」上來的，也可能是「熱水」和「冷水」在拔河

雖然人們已經知道凍脹與水分遷移的關係，但由於凍脹過程涉及到溫度、水分、鹽分、應力和變形等諸多因素的影響，要想進一步準確認識水分遷移機理並不容易，至今仍未得到完美解答，在此僅簡述兩種接受程度較廣的理論。

1.毛細理論（第一凍脹理論）

毛細現象是生活中常見的一種現象，如將一條幹毛巾一半放入水中一半提在水面上（圖6），毛巾進水後變濕，濕毛巾中的水位高於水面，說明毛巾中有一種「力」可以把水吸到更高的位置。

對於凍結過程中的土體，土顆粒之間的冰水界面也是彎曲的，如同無數根毛細管，在這種毛細吸力作用下水分向上運動到凍土內，最後產生凍脹。

圖6. 毛細理論示意圖

2.凍結緣理論（第二凍脹理論）

大量試驗表明，即使土體溫度降低到0℃以下時，土中的水也不是完全凍結的，仍然還有一部分液態水存在，這部分水以水膜的形式被吸附在土顆粒表面，如圖7所示。

圖7.凍土組成示意圖

當土中溫度分布不均勻時，在冰層（冰透鏡體）與未凍土之間有一個冰、水共存的區域稱為凍結緣，如圖8所示。凍結緣內的水膜聯通時，「熱水」和「冷水」就在進行一場拔河比賽，溫度低處（上部）水膜薄，土對水的吸附能力強；溫度高處（下部）水膜厚，土對水吸附能力弱；因此溫度高處的水分向溫度低處遷移，最終引起凍脹。

圖8.凍結緣理論示意圖

研究透了凍脹，我們就能預測到在寒冷地區開展工程可能遭到的破壞

近年來，中國科學院武漢岩土力學研究所研究員韋昌富帶領科研團隊圍繞凍脹問題開展了一系列理論、實驗和數值模擬方面的研究，取得的主要成果有：1）建立了孔隙介質化學力學耦合理論框架；2）推廣了凍土相平衡的 Clapeyron 方程；3）分析測試了凍土中未凍水狀態、土凍結溫度和過冷溫度、凍土熱參數變化規律；3）研究了冰透鏡體界面水力阻抗和非平衡效應對凍脹的影響規律；4）提出了移動泵模型模擬土凍結過程中的水分遷移和冰透鏡體的生長過程。

從實際應用的角度來看，凍脹研究有助於人們預測寒區工程可能遭受的凍脹破壞並據此採取防治措施。近年來，凍脹研究出現越來越明顯的學科交叉現象，一些地球科學、材料科學、食品科學、岩土工程、環境工程、表面物理領域內的學者們在各自領域內都發現了與凍脹相似的現象，研究者們互相借鑒彼此的研究方法和思路，不斷地推動著凍脹研究的發展。

作者：周家作

來源：中國科學院武漢岩土力學研究所